Читальный зал -->  Машины цикла стирлинга 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

общеизвестные основные принципы расчета и конструирования теплообменников, а также некие интуитивные правила с надеждой, что соответствующие коррекции в методику расчетов будут внесены при дальнейшем развитии этих машин. Вероятно, это может показаться несколько странным, учитывая наличие большого количества литературы по рассматриваемым теплообменникам, в том числе и по регенераторам. Однако то обстоятельство, что такое положение существует, возможно, подчеркивает острую необходимость в продолжении как теоретических, так и экспериментальных работ, способствующих развитию регенераторов.

Эта глава может быть полезна с точки зрения рассмотрения тех проблем, которые встречаются при разработке регенераторов для машин Стирлинга, а также для знакомства с основными литературными источниками по данному вопросу. В конце главы рассматриваются некоторые идеи, которые могут быть полезны при решении трудных вопросов более совершенным способом.

7-2. идеальный регенератор

При предыдущем рассмотрении циклов Стирлинга и Шмидта предполагалась идеальная регенерация теплоты. Это достигается в том случае, когда одна из двух температур рабочего тела, либо на входе в насадку регенератора (температура в конце процесса расширения), либо на выходе из нее (температура Тс в конце процесса сжатия), остается постоянной. Это возможно тогда, когда процессы протекают бесконечно медленно либо коэффициент теплоотдачи или поверхность теплообмена - бесконечно большие величины, а также в тех случаях, когда теплоемкости рабочего тела и насадки соответственно равны нулю и бесконечно большой величине.

И вцикле Стирлинга, и в цикле Шмидта мгновенные значения давления в насадке одни и те же, поскольку идеальный регенератор не имеет гидравлического сопротивления. Кроме того, для цикла Стирлинга свободный объем насадки принимается равным нулю, а в цикле Шмидта свободный объем считается независимо выбранным параметром и составляет часть Общего свободного объема системы.

! Характер температурного поля в насадке регенератора для обоих циклов несуществен и обычно описывается линейной функцией по длине насадки. Для цикла Шмидта это обстоятельство является важным, поскольку эффективная температура мертвого объема Т всегда рассчитывается как среднеарифметическое постоянных температур Те и Тс-

7-3. реальный регенератор

Условия работы регенератора в реальном двигателе существенно отличаются от тех предполагаемых условий, которые рассматривались выше для идеального случая. Температура рабочего тела на

входе в насадку не постоянна, а периодически изменяется, поскольку процессы сжатия и расширения не изотермические. Температура на выходе из насадки регенератора также меняется и не только из-за ее периодического изменения на входе, но и из-за ограниченных значений коэффициента теплоотдачи и поверхности теплообмена насадки, приводящих к конечным скоростям теплоотдачи. Параметры потока рабочего тела на входе в насадку (или на выходе из нее) не постоянны, а непрерывно меняются: давление, плотность и скорость изменяются в широких пределах, а изменение температуры происходит в более ограниченном диапазоне.

27, $S

ZG,67-

5 6,BS

а гОО 2W 280 ° 320° Р W 80° 120° 160

oj 1800 об/мин

2 а)

20,67 г

200° 240 ° 280° 320° 0° 40° 80° 120° 160° Угол поворота коленчатого вала BOO об/мип б)

Рис. 7-1. Циклическое изменение давления в криогенной машине, работающей по циклу Стирлинга (по Уокеру, 1961); измеренные значения циклического изменения давления в полостях расширения и сжатия криогенной машины при я = 1800 об/мин (а) и п = 800 об/мин (б). Начало кривых соответствует положению вытеснителя в верхней мертвой точке. J

/ - изменение давления в полости сжатия; 2 - изменение давления в полости расширения; 3 - теоретические кривые, рассчитанные по изотермической теории Шмидта.

В качестве примера на рис. 7-1 показаны циклические изменения давления в полостях сжатия и расширения в криогенной газовой машине, работающей по циклу Стирлинга. Приведенные на графиках кривые изменения давления получены с помощью индикатора Фарнборо. Для сравнения вместе с двумя указанными зависимостями,- полученными для различных частот вращения, даны и теоретические кривые, рассчитанные по теории Шмидта.

Из рис. 7-1 видно, что амплитуды измеренного давления рабочего тела в полости расширения почти точно совпадают с амплитудами кривых, рассчитанных по теории Шмидта. Однако что касается фаз, то совпадение с кривыми, рассчитанными по теории Шмидта, наблюдается лишь для полости сжатия. Кроме того, интересно отметить, что при изменении частоты вращения от 800 до 1800 об/мин-принципиальный характер изменения амплитуд для полости сжатия и их сдвиг по фазе для полости расширения сохраняются. Расхождение давлений на диаграммах для полостей сжатия и расширения происходит из-за гидравлического сопротивления потоку газа, имеющего место в конденсаторе, регенераторе и холо-756

Поток в полость расширения

Поток из мертвого объема

О 40 80 120 160 ZOO., гчО 280 320 ЗбО Диаграмма потока, для среднего давления 26 кгс/см

40 80 120 160 200 240 280 Угол поворота коленчатого вала Диаграмма потока для среднего давления Икгс/см

Рис. 7-2. Массовые расходы в криогенной машине, работающей по циклу Стирлинга, для двух различных средних давлений в цикле -26 кгс/см и и кгс/см. Из-за различных температур (70 К н 300 К) и вытесняемых сбтемов (114,8 и 188,6 см) соответственно для полостей расширения и сжатия массовые расходы потоков различны.

дильнике. Можно показать, что гидравлические потери давления не являются пренебрежимо малыми и находятся в достаточно сложной зависимости от частоты вращения. Как было уже замечено, подобное влияние оказывает и плотность рабочего тела (Уокер, 1963 г.).

Дальнейшие расчеты для этой машины проводили, исходя из предположений ее работы строго по циклу Шмидта. На рис. 7-2 приведены графики циклического изменения массового расхода рабочего тела, рассчитанные для двух различных средних давлений. Эти графики в некоторой степени трудны для понимания. На каждом из них имеются по две кривые: одна показывает массовый расход потока в полость и из полости расширения, другая - массовый расход потока в полость и из полости сжатия. Кривые, лежащие выше оси абсцисс, относятся к массам потока, поступающего в полость расширения и выходящего из полости сжатия; кривые, лежащие ниже оси абсцисс, - к массам потока, выходящего из полости расширения и посту- пающего в полость сжатия. Площадь перекрытия кривых характеризует период общего потока газа, проходящего через мертвый объем, включающий и регенератор. В криогенной газовой машине за направление горячего потока принимается направление в полость расширения, а холодного потока -в полость сжатия.

Из рассмотрения зависимостей на рис. 7-2 можно сделать

важный вывод: время прохождения общего потока газа через мертвый объем (который в основном - регенератор) составляет не более половины всего времени цикла. Рассмотрим более подробно рис. 7-2 (верхние части графиков); за период от Л до Б общий поток газа проходит через регенератор в направлении полости расширения; за период от В до С поток газа выходит из регенератора в двух направлениях - в полости расширения и сжатия; за период отС roD общий поток газа проходит через регенератор в направлении по-

Полость расширеная

Конденсотор{

Регенератор

Холодильник

Полость сжатия

О НО 80 120 160 200 240 280 320 Ш Угол поворота коленчатого вала Начало кривых соответствует положению вытеснителя в верхней мертвой точке

Рис. 7-3. Циклические траектории отдельных частичек рабочего тела в цикле Стирлинга для криогенной машины, рассчитанные по изотермической теории Шмидта.

Перемещение массы рабочего тела в машинах Стирлинга осуществляется по сложному закону. Вследствие смещения поршней по фазе и эффектов сжатия )л расширения рабочее тело в одно и то же время в различных полостях машины может перемещаться в разных направлениях. {Прим. перев.)

лости сжатия; за период от D до Л поток направляется в регенератор из двух полостей - сжатия и расширения.

Дальнейшими расчетами можно графически показать траектории отдельных частичек рабочего тела. Это сделано на рис. 7-3, где все объемы потока расположены в такой последовательности: самый верхний относится к изменению объема потока в полости расширения, а самый нижний - в полости сжатия. Крайние кривые характеризуют траектории частичек, примыкающих непосредственно к днищам поршня и вытеснителя. Показаны также циклические траектории некоторых других частичек рабочего тела, находящихся в промежуточных сечениях. Заслуживает особого внимания поведение одной из частиц рабочего тела: эта частица никогда не покидает регенератор, а совершает лишь колебательные движения внутри насадки в течение всего цикла, что говорит о том, что ни одна частица рабочего тела не проходит через регенератор. Этот экстраординарный вывод очень важен при рассмотрении классической теории регенератора применительно к машинам с циклом Стирлинга.

Из рассмотрения зависимостей на рис. 7-1-7-3 следует главный вывод: рабочее тело в машинах Стирлинга имеет сложный вид движения.

7-4. теоретические основы работы регенератора

Наиболее исчерпывающий материал по тепловым регенераторам приводится в работе Джекоба (Jakob), содержащей переработанные классические работы Хаузена (Hausen, 1929, i93i гг.), Нуссельта (Nusselt, 1927 г.), Шумана (Schumann, 1932 г.) и Анзелиуса (Ап-zelius, 1926 г.). Илифф (lliff, 1948 г.) в одной из своих работ сделал обзор и продолжил работы Хаузена и его коллег. Коппадж и Лондон (Coppage, London, 1953 г.) собрали и обобщили различные материалы, имеющиеся в литературе, а Кейс (Keys) и Лондон (1958) заложили рациональную .основу для расчета регенераторов, установив соотношения между различными формами компактных теплообменников. Полезные вклады были сделаны также Джонсоном (Johnson, 1952 г.) и Типлером (Tipler, 1948 г.). Но ни одна из этих работ не имела непосредственного отношения к работе регенераторов применительно к машинам Стирлинга; содержащийся в них достаточно большой основополагающий или специфический материал относился к газовым турбинам.

7-5. рабочие условия

Работа регенератора может рассматриваться при. различных условиях, но обычно наибольший интерес представляет циклический режим его работы. Этот режим характеризуется тем, что в результате повторяющегося нагревания и охлаждения в течение постоянного времени цикла, состоящего из двух периодов - нагревания

и охлаждения, температура в любой точке рабочего тела (или насадки) возвращается к прежнему значению (т. е. к такому же, какое было в тот же момент предыдущего цикла).

На рис. 7-4 изображен противоточный тепловой регенератор. Предполагается, что в циклическом режиме регенератор работает следующим образом. Нагретое рабочее тело с постоянной температурой на входе проходит через насадку слева направо, отдает ей часть теплоты и выходит через правый конец с переменной температурой, меньшей, чем температура на входе. Затем подача нагретого рабочего тела прекращается, и все рабочее тело выходит из насадки с правой стороны. После этого в насадку справа поступает холодное рабочее тело при постоянной температуре: оно проходит через насадку, нагревается от аккумулированной ранее насадкой теплоты и выходит через левый конец с переменной температурой, всегда большей, чем температура на входе. Далее подача холодного рабочего тела прекращается, и все рабочее тело выходит через левый конец насадки, завершая рабочий цикл.

На рис. 7-5 показано возможное изменение во времени в различных местах насадки температуры самой насадки и рабочего тела для регенератора с циклическим режимом работы. На рисунке приведена одна из возможных температурных зависимостей для некоторых промежуточных точек регенератора при циклическом режиме его работы. Диапазон от а до Ъ-период

нагревания (период горячего дутья). В начале периода горячего дутья температура рабочего тела повышается от Л до В и, начиная с В, увеличивается, асимптотически приближаясь к постоянной входной температуре горячего потока. В период нагревания вследствие.передачи теплоты от рабочего тела к насадке, температура насадки повышается от X до Y. В точке б поток рабочего тела сменяется на холодный; диапазон от 6 до с -- период охлаждения (период холодного дутья). Вследствие изменения направления потока температура рабочего тела уменьшается от С до D и, начиная с точки D, умень-шается, асимптотически приближаясь к постоянной входной температуре холодного потока. В период охлаждения вследствие передачи теплоты от насадки к рабочему телу температура насадки снижается от Y до X. Поля температур для рабочего тела и для насадки в момент изменения направления потока приведены на рис. 7-6.

Рис. 7-4. Тепловой регенератор с противотоком.

1 - нагретое рабочее тело А входит в насадку при постоянной входной температуре (период нагревания, или период горячего дутья); 2 - нагретое рабочее тело А выходит из насадки с переменной температурой, всегда меньшей, чем во впускном (горячем) клапане. Эта переменная температура все время возрастает, асимптотически приближаясь к температуре рабочего тела во впускном клапане; 3 - течение рабочего тела А прекращается; в насадку лоступает холодное рабочее тело В при постоянной входной температуре (период охлаждения, или период холодного дутья); 4 - холодное рабочее тело В выходит из насадки с переменной температурой, всегда большей, чем во впускном (холодном) клапане. Эта переменная температура все время уменьшается, асимптотически приближаясь к температуре рабочего тела во впускном клапане.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.